光学设计光学系统的像质评价和像差容限教学课件.ppt

第三章 光学系统的像质评价和像差容限,要求： 掌握光学设计像质评价的方法和各自的特点，以及各种典型光学系统的像质评价要求。 如何确定各种光学系统的像差容限。,任何一个光学系统不管用于何处，其作用都是把目标发出的光，按仪器工作原理的要求，改变他们的传播方向和位置，送入仪器的接收器，从而获得目标的各种信息，包括目标的几何形状，能量强弱等等。 对于光学系统成像性能的要求，可以分为两个方面：光学特性和成像质量。,光学系统的像质评价方法有： 几何像差、波像差、几何光学传递函数、点列图、中心点亮度、分辨率及星点法等。 目前光学设计最常用的方法是几何像差法和几何光学传递函数法。,第一节 几何像差的曲线表示,一、独立几何像差的曲线表示 1、球差和位置色差,2、正弦差曲线,3、细光束像散曲线,4、畸变与垂轴色差曲线,5、轴外物点子午球差和子午彗差曲线,二、垂轴几何像差曲线 子午垂轴像差曲线,二、垂轴几何像差曲线 子午垂轴像差曲线,子午垂轴像差曲线的形状当然是子午像差，而子午像差是由细光束子午场曲、子午球差和子午彗差决定的。,如图为一条子午垂轴像差曲线：,弧矢垂轴像差曲线,第二节 瑞利判断和中心点亮度 一、瑞利判断 瑞利判断是根据成像波面相对理想球面波的变形程度来判断光学系统的成像质量的。 瑞利认为“实际波面与参考球面波之间的最大波像差不超过/时，此波面可看作是无缺陷的”，此判断称之为瑞利判断。,瑞利判断是一种较为严格的像质评价方法，它主要适用于小像差光学系统，例如望远物镜、显微物镜、微缩物镜和制版物镜等对成像质量要求较高的系统。,中心点亮度 中心点亮度则是依据光学系统存在像差时，其成像衍射斑的中心亮度和不存在像差时衍射斑的中心亮度之比来表示光学系统的成像质量，此比值用S.D来表示，当S.D0.8时，认为光学系统的成像质量是完善的，这就是有名的斯托列尔（K.Strehl）准则。 斯托列尔准则同样是一种高质量的像质评价标准，它也只适用于小像差光学系统 。,第三节 分辨率 分辨率反映光学系统能够分辨物体细节的能力，它是光学系统一个很重要的性能指标，因此也可以用分辨率来作为光学系统的成像质量评价方法。,实际检验时，使用鉴别率板作为物平面，通过被检验的光学系统成像，在像平面上检查所能分辨的最小间隔mm，用它作为该系统分辨率的指标。有时也用它的倒数作为分辨率的指标。,的单位 代表每毫米能分辨的线对数，也称为空间频率。 光学系统的分辨率越高，能分辨的最小间隔越小，对应的空间频率越大。这种方法称为“分辨率检验”。,分辨率作为光学系统成像质量的评价方法并不是一种完善的方法，这是因为： 1）它只适用于大像差系统; 2）它与实际存在差异; 3）它存在伪分辨现象。 综上所述，用分辨率来评价光学系统的成像质量也不是一种严格而可靠的像质评价方法，但由于其指标单一，且便于测量，在光学系统的像质检测中得到了广泛应用。,第四节 点列图 在几何光学的成像过程中，由一点发出的许多条光线经光学系统成像后，由于像差的存在，使其与像面不再集中于一点，而是形成一个分布在一定范围内的弥散图形，称之为点列图。在点列图中利用这些点的密集程度来衡量光学系统的成像质量的方法称之为点列图法。,轴上物点的点列图,轴外物点的点列图,第五节 利用光学传递函数评价成像质量,一、 光学传递函数 若把光学系统看作是线性不变的系统，那么物体经光学系统成像，可视为物体经光学系统传递后，其传递效果是频率不变，但其对比度下降，相位要发生推移，并在某一频率处截止，即对比度为零。这种对比度的降低和相位推移是随频率不同而不同的，其函数关系我们称之为光学传递函数。,其中：MTF称为振幅传递函数； PTF称为位相传递函数； 二者统称为光学传递函数，用OTF表示 。,光学传递函数是反映光学系统对物体不同频率成分的传递能力。一般来说，高频部分反映物体的细节传递情况，中频部分反映物体的层次传递情况，而低频部分则反映物体的轮廓传递情况。,实践证明，决定光学系统成像质量的主要是MTF。因此，通常只考虑MTF曲线，而不考虑PTF曲线。,二、 用光学传递函数评价光学系统的像质 为了简化，和前面研究几何像差的方法相似，我们用子午和弧矢两个方向上的光学传递函数曲线来代表该像点的光学传递函数。 1. 用MTF曲线评价成像质量 这是利用光学传递函数来评价光学系统像质的主要方法。,用光学传递函数评价系统成像质量，目前最常用方式是给出若干视场 （一般53个，即0、0.3 、 0.5 、 0.85 、 1 或0、 0.7 、 1 ），用子午和弧矢振幅传递函数MTFt和MTFs曲线来代表成像质量。 MTF有以下用途：,（1）确定不同对比度目标；,（2）判断不同设计方案的优势；,（3）用来指导进一步校正像差的方向。,2. 用特征频率传函值评价光学系统像质 对一定用途的光学系统，为了简化，有时采用若干指定空间频率的MTF值来代表它的成像质量，特征频率。特征频率的选取，随仪器用途的不同而异。,对照相物镜的特征频率我国规定为 （国外有 ， ）画幅为 的 135照相物镜的 评价国家标准如下表：,特征频率,视场孔径,轴上,轴上,全孔径,第六节 光学系统的像差容限,光学系统的像差容限不仅与像质的评价方法有关，还随系统的使用条件、使用要求、接收器性能等的不同而不同。以最大波差作为评价依据的瑞利判据，适用于小像差系统 。,一、望远、显微物镜的像差公差 1 只有初级球差时： 边缘球差校正为零时，最大剩余球差为：,如果边缘光线球差没有完全校正到零，则应在焦深范围内。 焦深 无论是实际的焦点向前或向后移动 ，波像差都不会超过四分之一波长，即将 定义为焦深，即 焦深仅与系统的相对孔径有关，孔径越大，焦深越小。,离焦的概念： 一般讲，当光学系统尚存在一定的像差而不能很好地校正时，高斯像点并非最佳像点所在，需要另找参考点位置以使其波像差为最小。这种寻求最佳焦点或最佳像平面的做法，称为离焦。,2、正弦差公差：,按经验公差,位置色差,（焦深）,波色差,（最好是 ）,3、色差公差：,二、望远、显微目镜的像差公差,子午彗差,弧矢彗差,像散,畸变,场曲,倍率色差 场曲应在眼睛的调节范围内。 三、照相物镜的像差公差 照相物镜属大孔径、大视场的光学系统，应校正全部像差。,照相物镜所允许的弥散斑大小应与光能接收器的分辨率相匹配。 不同的接收器有不同的分辨率，照相物镜应根据使用的接收器来确定其像差公差。 此外，照相物镜的分辨率应大于接收器的分辨率，即NLNd，所以照相物镜所允许的弥散斑直径应为,作业： 1、试导出平行平板的初级彗差系数公式： 2、中心点亮度是依据什么来判断光学系统的成像质量的？它适用于什么光学系统？ 3、为什么说将分辨率作为光学系统成像质量的评价方法并不是完善的？它适用于评价何种光学系统？ 4、什么是点列图？用点列图来判断那种光学系统的成像质量较为精确？,